Фокусирующее устройство синхроциклотрона Советский патент 1980 года по МПК H05H13/02 

Изобретение относится к ускорительной технике и предназначено для увеличения тока пучка частиц-синхроциклотрона, работающего с ионным ксгточником открытого типа. Известны фокусирующие устройства для увеличения тока пучка ионов синх роциклотрона, обеспечивающие дополнительную вертикальную фокусировку частиц за счет формирования в центральной области статического магнитного поля при помощи устанавливаемых в центре стальных цилиндров, кольцевых шимм, втулок и т.п. 1. Недостатком.таких устройств является практическая невозможность формирования на малых радиусах централь ной области требуемого для фокусиров ки спада магнитного поля, так как. при любых устройствах из-за централь ной симметрии магнитного поля в центре магаита / 0, а также изза конструктивных трудностей, связанных с наличием в центре магнита ионного источника, сохранения вертит кальной апертуры. Известны также фокусирующие устройства для увеличения тока пучка ионов с дополнительными электроннооптическими элементами, создающими в центре синхроциклотрона азимутальную вариацию электромагнитного поля и обеспечивающими дополнительную вёртикальн5ю фокусировку пучка 12}. Недостатком такого рода фокусирующих устройств кроме трудностей их практической реализации является таюке ихМсшая эффективность действия, так как фокусирующий эффект пропорционален скорости частиц, которая в центре ускорителя мала. Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является фокусирующее устройство для увеличения тока внутреннего пучка ионов синхроциклотрона, работающего с ионным источником открытого типа, основанное на создании дополнительной вертикальной фокусировки за счет формирования в центральной об-. ласти синхроциклотрона статического электрического поля .при помощи дополнительного бокового электрода 3J. Это фокусирующее устройство состоит из дуанта и бокового электрода в виде двух пластин, который расолагается в центре ускорителя ггроив щели дуанта. Между ними находитя ионный источник открытого типа. асстояние от бокового электрода до центра синхроциклотрона не равно расстоянию от центра до дуанта. На боковой электрод поддается отрицательный потенциал от отдельного источника, причем величина этого потенциала не равна потенциалу отрицательного смешения на дуант. За счет несимметричного расположения бокового электрода .и дуанта относительно центра синхроциклотрона, а также разности потенциалов между ними в центральной области создается асимметричное электростатическое поле, фокусирующее частицы в вертикальном направлении.

Недостатком такого фокусирующего устройства является его малая эффективность, так как положительный эффект увеличения интенсивности достигается, за счет асимметричного электростатического поля относительно оси щели дуанта, обусловленной как разностью потенциалов между дуантом и боковым электродом, так и асимметричным расположением, самого электрода. За счет такой асимметрии сам положительный эффект является компромиссом между фокусирующим действием электрода в вертикальном направлении и дефокусирующим в р.адиальном, что связано с действием на пучок частиц горизонтальной составляющей электростатического поля, которая приводит к дрейфу центров орбит параллельно щели дуанта. По этой же причине происходит значительное уменьшение области захвата в режим ускорения.

Цель изобретения - повышение эффективности фокусирующего устройства и увеличение интенсивности внутреннего пучка синхроциклотрона.

Цель достигается тем, что в фокусирующее устройство синхроциклотрона, содержащее дуант, соединенный с источником отрицательного смещения, и боковой электрод, дополнительно введен центральный электрод, состоящий из двух пластин, расположенных симметрично медианной плоскости, подключенный к дополнительному ис. точнику положительного напряжения и одновременно выполняющий роль анрдов ионного источника, катоды которого находятся под постоянным потенциалом по отношению к пластинам центрального электрода, создаваемым,

нАпример, с помощью блока питания катодов, соединенного последовате.льно с источником положительного напряжения центрального электрода, а боковой электрод установлен симметрично дуанту относительно центра синхроциклотрона и подключен к источнику отрицательного смещения, дуанта.

Пластины центрального электрода имеют форму эллипсов, вытянутых вдоль щели дуанта, с конусообразными приливами, обращенными к медианной плоскости, в центре которых имеется цилиндрическое отверстие для дуги, ионного источника синхроциклотрона.

Для симметрирования фокусирующего устройства относительно медианной плоскости между пластинами центрального электрода вводится дополнительная разность потенциалов, например, от дополнительного источника, включенного последовательно с основным.

Для ликвидации паразитного пеннинговского разряда, приводящего к искажению геометрии фокусирующего поля, нагреву пластин и увеличению мощности питающих устройств, между пластинами центрального электрода и крышками вакуумной камеры помещены два изолятора, перекрывающие всю область по периферии центрального электрода.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, разрез по вертикальной .плоскости, проходящей через центр синхроциклотрона)на фиг. 2 - то же, вид сверху.

Устройство содержит центральный фокусирующий 1 и боковой 2 электроды, дуант 3 синхроциклотрона, катоды 4 ионного источника, штуцер 5 подачи газа к ионному источнику, конденсаторы 6, изоляционные пластины 7, стенку 8 вакуумной камеры синхроциклотрона, проходные изоляторы 9, источник 10 положительного напряжения на центральный электрод, блок 11 питания катодов ионного источника источник 12 отрицательного смещения на дуант и боковой электрод 13 - отверстие в пластине центрального электрода.

В центральную область синхроциклотрона между дуантом 3 и боковым электродом 2, состоящим из двух полукруглых пластин, помещен дополнительный центральный фокусирующий электрод 1, состоящий также из двухпластин, расположенных симметрично по отношению к медианной плоскости синхроциклотрона ХОУ. Пластины центрального электрода 1 в плане имеют форму вытянутого эллипса и со стороны, обращенной к медианной плоскости, имеют приливы в форме усеченного конуса. Центр пластин совпадает с центром магнитного поля синхроциклотрона. Пластины бокового электрода 2 и дуант 3 расположены симметрично на одинаковом расстоянии от оси ОХ,.а расстояние между пластинами бокового электрода 2 по-вертикали ряяно вертикальной апертуре дуанта. Обе пластины центрального электрода 1 электрически объединены и подключены к источнику 10 положител ного смещения. Обе пластины бокового электрода 2 также электрически объединены и подключены к источнику 12 отрицательного смещения на дуан и боковой электрод. Таким образом- электроды 1 и 2 совместно с дуантом 3 образуют в центральной области синхроциклотрона симметричную статическую электронно-оптическую систему, которая и обеспечивает дополнительную верти кальную фокусировку частиц к медиан ной плоскости. Величину напряженное ти фокусирующего электрического поля можно менять при по1Ж)Щи источник смещения 10. Все пластины как центрального,так и бокового электродов заземлены по высокочастотному напряжению конденсаторами 6, одновременно выполняющими роль конструктивных элементов, при помощи которых соответствующие пластины крепятся к крьаакам камеры. Таким образом, дополнительные элект роды по отношению к ускоряющему высокочастотному напряжению играют роль антидуантной заземленной рамки не нарушая процесса ускорения частиц. Для обеспечения оптимальных условий работы дуги ионного источника вн зависимости от величины потенциала, подаваемого на центральный электрод последний конструктивно совмещен с ионным источником. Для этого к каждой из пластин центрального электрода прикреплены две камеры, в которых расположены катоды .4 ионного источника,. В эти же камеры через штуцера 5 подается газ. Электроны и протоны дуги ионного источника осциллируют между катодами 4 через цилиндрические отверстия 13, находящиеся в цент ре пластин центрального электрода 1. Оба катода 4 электрически объеди нены и подключены к блоку 11 питания катодов ионного источника, при помощи которюго можно изменять потенциал катодов 4 по отношению к потенциашу центрального электрода 1, управляя режимом дуги. Для этого источники 11 и 10 могут быть соединены, например, последовательно. С точки зрения работы ионного источника центральные пластины 1 выполняют роль анода. При этом сама дуга ионно го источника находится -под потенциалом, близким к потенциалу пластин центрального электрода. Так как на пластины центргшьного электрода подается положительный потенциал, требуемый для получения вертикальной фокусировки, около них может возникнуть паразитный пеннинговский разряд в направлении магнитных силовых линий, для которого электрод 1 является анодом, а крьЕики вакуумной камеры катодами, Дуга этого паразитного разряда, занимая всю область по периферии центрального электрода, может искажать распределение электростатического поля в, центральной области, а также приводит к нагреву центрального электрода и излишней загрузке источника его питания. . Для полного подавления этого паразитного разряда на крышки вакуумной камеры помещены изолирующие пластины 7, перекрывающие всю зону по периферии центрального электрода. Формула изобретения 1.Фокусирующее устройство синхроциклотрона/ содержащее дуант, соединенный с источником отрицательного смещения и боковой электрод, о т л и ч а ш щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности фокусировки, в устройство введен центральный электрод, состоящий из двух пластин, расположенных симметрично медианной плоскости, подключенный к дополнительному источнику положительного напряжения и -одновременно выполняющий роль анодов ионного источника, катоды которого находятся под постоянным .потенциалом по отношению к пластинам центральногоэлектрода, создаваемым, например, с помощью блока питания катодов, соединенного последовательно с источником положительного напряжения центрального электрода, а боковой электрод установлен симметрично дуанту относительно центра синхроциклотрона и подключен к источнику.отрицательно го смещения дуанта. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пластины центрального электрода имеют форму эллипсов, вытянутых вдоль щели.дуанта, с конусообразными приливами, обращенными к медианной плоскости, в центре которых имеется цилиндрическое отверстие для дуги ионного источника.. 3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью ликвидации паразитного пеннинговского разряда, приводящего к искажению геометрии фокусирующего поля, между пластинами центрального электрода и крышками вакуумной камеры, помещены два изолятора, перекрывающие

нскг область по периферии центрально-, го электрода.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Данилов В.И. и др. Фокусирующее устройство. Предприятие ОИЯИ, Р9-3181, Дубна, 1967.

2.Кельман В.М. и др. Ионносптическая система ЖТФ, ХХУ/ , вып. 5, 1958, 1056-1063.

3.Данилов В.И. и др. Труды международной конференции по ускорителям, Дубна, 1963, М., Атомиздат, 1964, 59l-594i

/////////////Л i Фи2.